第三節微生物反應3.1基本概念一、微生物的分類與命名微生物（Microorganism，microbe）是對那些肉眼不能直接觀察到、微小的、但能維持生命并繁殖的生物的通稱，包括細菌、放線菌、變形菌、真菌、藻類和原生動物等。分類：界（Kingdom）、門（Phylum）、綱（Class）、目（Order）、科（Family）、屬（Genus）、種（Species）。種以下有變種（Variety）、型（Form）、品系（Strain）等。命名：“雙名法”。屬名：大寫字母開頭，是拉丁詞的名詞，用以描述微生物的主要特征；種名：小寫字母打頭，是一個拉丁詞的形容詞，用以描述微生物的次要特征。例如：Staphylococcusaureus，前一個詞是屬名，是拉丁語的名詞，是“葡萄球菌”的意思。第二個詞字是種名，是拉丁語的形容詞，意思是“金黃色”。所以學名是“金黃色葡萄球菌”。霉菌(mould,mold)是絲狀真菌(filamentousfungi)的一個通俗名稱，在自然界分布很廣，其生長所要求的相對溫度比細菌低。真菌有核，呈絲狀，直徑一般為3～10μm，多分枝，有或無隔膜。霉菌多為腐生菌，也有少數寄生于動物或植物體內。它們具有廣泛的降解和合成能力，是發酵生產某些重要物質的主力軍。酵母菌(yeast)是一個通俗名稱，是典型的真核生物，多為單細胞，有的也呈絲狀。有的酵母通過出芽進行無性繁殖，也有的酵母進行分裂繁殖。酵母既可進行好氧呼吸，又能進行厭氧呼吸。酵母菌在酒類釀造中是不可缺少的。病毒(virus)是存在于動物、植物、昆蟲、真菌、藻類和細菌細胞內的專性寄生物，是最小的微生物。病毒本身不具備或具備最低的合成和代謝能力，只能在寄主細胞內生長繁殖，常導致寄主細胞被破壞和死亡。寄生于細菌細胞內的病毒又稱為噬菌體。噬菌體是危害細菌發酵的重要根源。煙草花葉病毒噬菌體（DNA病毒）二、

微生物的化學組成微生物菌體的80%左右是水分。濕菌體（wetcellmass）所含水分是指菌體在100℃前后干燥直到恒重時減少的量。除去水分的菌體稱為干菌體（drycellmass）。微生物菌體中除水分外，其余為蛋白質、碳水化合物、脂肪、核酸、維生素和無機物等化學物質。細胞中某些元素（除碳、氧、氮和氫外）的含量，一般以磷、鉀為多，其次是鈣、鎂、硫、鈉、氯、鐵、鋅、硅等。另外，還含有微量的鋁、銅、錳、鈷等。在微生物培養中，這些元素必須保證供應。

三、生長特性由于微生物種類各異，不同微生物的生長特性亦有很大差別。

細菌以分裂方式進行的繁殖。在適宜的生長條件下，某些細菌的世代時間可達10～20min。然而，比較典型的世代時間為40～60min。當細菌分裂為二分裂時，世代時間等于倍增時間（菌體量增加一倍所需時間）。酵母菌的生長方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂（如同菌絲生長）三種。在最適條件下，酵母在45min內就可以分裂，比較典型的分裂時間為90～120min。霉菌的生長特性是菌絲伸長和分枝。從菌絲體（頂端生長）的頂端細胞間形成隔膜進行生長，一旦形成一個細胞，它就保持其完整性。霉菌的倍增時間可短至60～90min，但典型的霉菌倍增時間為4～8h。病毒能在活細胞內繁殖，但不能在一般培養基中繁殖。病毒是通過復制方式進行繁殖，即感染細胞后“接管”寄主細胞的生物合成機構，按病毒的遺傳特性，合成病毒的核酸和蛋白質，并且以指數方式進行復制，冪大于2。流行性感冒病毒

原生動物細胞的分裂形式多是沿縱軸一分為二．一個世代時間大約為10h。微主物多以單細胞形式存在，也有的形成絮凝物(floccule)或菌絲凝塊(pellet)，如某些酵母，形成這種狀態的原因是多方面的。實際生物反應系統中，必須重視絮凝物或茵絲凝塊的形成及大小對生物反應系統的影響。四、影響微生物反應的環境因素1、營養物質分為碳源、氮源、無機元素、微量營養素或生長因素等。碳源是指可構成微生物細胞和代謝產物中碳架來源的營養物質。碳源的主要作用是構成細胞物質和供給微生物生長發育所需的能量。大多微生物以有機含碳化合物作為碳源和能源，例如糖類、淀粉、油脂等。光能自養微生物（photoautotroph）是利用光為能源，二氧化碳為主要碳源。氮源主要是提供合成原生質和細胞其它結構的原料，一般不提供能量。在微生物工業中，硫氨、尿素、豆餅和玉米漿等是較為常用的氮源。無機元素的主要功能是：構成細胞的組成成分；作為酶的組成成分；維持酶的作用；調節細胞滲透壓、氫離子濃度和氧化還原電位等。需要量較大的無機元素是磷、硫、鎂、鐵、鉀、鈣等，還需要幾種微量的金屬元素，如錳，鈷，銅，鋅等。生長因素（growthfactor）：微生物維持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大。根據化學結構和代謝功能可將其分為三類：即維生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。工業生產中，常利用玉米漿等作生長因素的供應量。2、溫度是影響微生物生長和繁殖的最重要的因素之一。在一定范圍內，微生物的代謝活動與生長繁殖隨著溫度的上升而增加，溫度上升到一定程度，開始對機體產生不利影響，如溫度繼續提高，細胞功能急驟下降，以至死亡。各種生物有其最適生長溫度、最高生長溫度與最低生長溫度，并且，最適、最高和最低溫度回因環境條件變化而變化。圖3-1微生物細胞生長繁殖的溫度范圍3、溶解氧與氧化還原電位Eh氧是在溶解狀態下被微生物利用的，可以用培養基的氧化還原電位Eh作為定量表示厭氧程度的方法。除與氧分壓有關外，Eh還受pH的影響。pH值低時，氧化還原電位高；pH值高時，氧化原電位低。當pH一定時，溶氧水溶液的Eh與溶解氧濃度（DO）的對數成正比。所以，由所測得的Eh可求得所需的DO值。好氧性微生物在Eh值為+0.1伏以上均可生長，以Eh等于+0.3～+0.4伏時為適。厭氧微生物只能在Eh值小于+0.1伏以下生長。兼性厭氧微生物在+0.1伏以上或以下均能生長。厭氧型：如產甲烷菌；好氧型：如霉菌；兼性厭氧型：如酵母。4、pH不同微生物有其最適生長的pH值范圍。大多數自然環境的pH值為5～9，許多微生物的最適生長pH也在此范圍內，只有少數種類可生長在pH值低于2或高于10的環境中。大多數酵母與霉菌在微酸性（pH5～6）環境中生長最好，而細菌、放線菌則在中性或微堿性條件下生長最好。5、濕度細菌要求水活度（濕料飽和蒸汽壓/相同溫度下純水飽和蒸汽壓）在0.90～0.99之間；大多數酵母菌的為0.80～0.90；真菌及少數酵母菌要求在0.60～0.70。因此，固態發酵常用真菌的原因就是其對水活度要求低，可以排除其它雜菌的污染。6、其他因素滲透壓、壓力等對微生物反應也有影響。適宜微生物生長的滲透壓范圍比較廣，而且微生物往往對滲透壓有一定的適應能力。滲透壓過高，微生物是難以生存的。一般微生物在水壓力達幾十個大氣壓下也不受影響，所以，在一般用況下，上述兩種因素可不必考慮。五、微生物反應的特點優點：微生物常能分泌或誘導分泌有用的生物化學物質；容易篩選出分泌型突變株；微生物的生長速率快；微生物的代謝產物的產率較高等。特點：微生物反應是生物化學反應，通常是在常溫、常壓下進行；原料多為農產品，來源豐富；易于生產復雜的高分子化合物和光學活性物質；除產生產物外，菌體自身也可是一種產物。如果其富含維生素或蛋白質或酶等的有用產物時，可用于提取這些物質；通過菌種改良，有可能使同一生產設備的生產能力大大提高；微生物反應是自催化（autocatalytic）反應。不足：

1、副產物的產生不可避免。

2、影響微生物反應的因素多實際控制有難度；

3、原料是農副產品，受價格變動影響大；

4、產前準備工作量大，相對化學反應器而言，反應器效率低。對于好氧反應，需氧，故增加了生產成本，且氧的利用率不高；

5、廢水有較高BOD值。單個生物是具體和實際的生命單元，但微生物反應體系的動力學描述宜采用群體(population)來表示。這就是說，描述微生物動力學的方法不是指生物分離成為不連續的單個生物，而是指群體的存在。一般，微生物在一定場所中的存在形式是大量聚集。一般，可將微生物群體變化過程分為生長、繁殖、維持、死亡、溶胞、能動性、形態變化及物理的群體變化等過程。七、

微生物反應動力學典型的細菌生長曲線:

描述了一個既沒有產物抑制又沒有傳遞抑制的細菌培養過程中細菌數的變化。

三個層次:酶水平(分子水平)細胞水平反應器水平(宏觀水平)在大多數細菌培養過程中，都會存在抑制現象。主要分為底物抑制、產物抑制和傳遞抑制。產物抑制方式較為熟悉和理解，即一定的產物濃度將對生長率產生抑制。出現在產物達到一定的濃度,如乙醇發酵，10%左右。傳遞抑制方式，即由傳遞現象產生的抑制。通常與外部現象有關，如粘度，取決于過程的最大速率。對于好氧過程，氧的傳遞經常是一個重要的抑制因素。當然細體的生長還底物（高基質）、pH和溫度有關，某些時候也會成為抑制因素。細體在培養過程中經歷不同的時期，指數生長期和減速期最為重要。指數生長期其特點是：細胞保持均恒生長。不斷吸收培養基中的營養成分以合成自身物質，并不斷向培養基中分泌代謝產物。由于此時培養基中的營養成分遠遠過量，且積累的代謝產物尚不足以抑制微生物本身的生長繁殖，因而微生物的生長速率不受這些因素的影響，而僅與微生物本身的比生長速率μ及發酵液中的生物量濃度X(g/L)相關。八、

生長速率(動力學方程）N—細胞數/L生物量生長速率為：X—生物量濃度，g/L上式表明細胞物質隨時間而增加，說明細胞數目隨時間增加而增加。而在大多數情況下生長是以物質的增加來衡量的。若μ為常數生物量的增加用細胞量或細胞數的倍增時間tｄ來表示，它是一個常數。

因此倍增時間td(即X/X0=2時的時間)是:比生長速率的意義：

比生長速率就是菌體繁殖速率與培養基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動有聯系。

在微生物培養過程中，菌體濃度的生長速率是菌體濃度、基質濃度和抑制劑濃度的函數。對于特定的微生物而言，其比生長速率μ只與三個因素有關。限制性營養物質的濃度、最大比生長速率μm、底物（基質）相關常數Ks。Monod方程：

現代細胞生長動力學的奠基人Monod早在1942年就指出，細胞的比生長速率與限制性基質濃度的關系可用下式表示：1)、細胞的生長為均衡式生長，因此描述細胞生長的唯一變量是細胞的濃度；2)、培養基中只有一種基質是生長限制性基質，而其它組分為過量不影響細胞的生長；3)、細胞的生長視為簡單的單一反應，細胞得率為一常數。Ks一底物相關常數（飽和常數），為μ為1/2μm時限制性營養物質的濃度。從上述方程可知：如果各種營養物質均大大過量的話，則μ=μm，這時便是指數生長期。也就是說，處于指數生長期的微生物．其生長繁殖不受營養物質的限制，因而具有最大比生長速率。如果發酵的目的是為了獲得微生物菌體的話，則應盡量設法維持指數生長期。如果底物耗盡，S=0

，μ=0，

靜止期細胞濃度不再增加。靜止期內的細胞濃度為最大濃度。Monod方程是從經驗得出的，常稱為形式動力學當限制性基質濃度很低時，S《Ks，此時若提高限制性基質濃度，可以明顯提高細胞的生長速率。此時有：Monod方程雖然表述簡單，但它不足以完整地說明復雜的生化反應過程，并且已發現它在某些情況與實驗結果不符。并且，方程中的Ks完全是經驗的，物理意義不明顯。其他生長動力學方程第四節生物反應器生物細胞或生物體組成參與的生產過程可統稱為生物反應過程，利用生物催化劑進行反應的生物反應器在生產過程中，具有重要的作用，是實現生物技術產品產業化的關鍵設備，是連接原料和產物的橋梁。生物反應器的型式和操作方式：常見的生物反應器包括：攪拌釜式間隙反應器；連續釜式反應器；間隙塔式反應器；流加攪拌釜式反應器；連續通氣氣升式反應器型式：釜式塔式管式操作方式：間歇連續流加補料

兩者結合可以形成很多種可以在工業生產中使用的生物反應器。1）結構嚴密，經得起蒸汽的反復滅菌，內壁光滑，耐腐蝕性能好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對生物反應的影響；2）有良好的氣-液-固接觸和混合性能和高效的熱量、質量、動量傳遞性能；3）在保持生物反應要求的前提下，降低能耗；4）有良好的熱量交換性能，以維持生物反應最適溫度；5）有可行的管路比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動化控制。一個良好的生物反應器應滿足下列要求：一、機械攪拌式生物反應器結構包括：罐體、攪拌器、擋板、軸封、空氣分布器、傳動裝置、冷卻管、消泡器、人孔、視鏡等其中：1、攪拌器和擋板：攪拌的主要作用是混合和傳質，即使通入的空氣分散氣泡并與發酵液充分混合，使氣泡破碎以增大氣－液接觸界面，以獲得所需要的氧傳遞速率，并使生物細胞懸浮分散于發酵體系中，以維持適當的氣－液－固（細胞）三相的混合與質量傳遞，同時強化傳熱過程。為了強化軸向混合，可采用蝸輪式和推進式葉輪共用的攪拌系統。渦輪式攪拌器具有結構簡單、傳遞能量高、溶氧速率高等優點，但存在的缺點是軸向混合差，攪拌強度隨著與攪拌軸距增大而減弱，故當培養液較粘稠時，混合效果就下降。40缺點：能耗大；剪切力強；41二、氣升式生物反應器氣升式發酵罐應用最為廣泛的生物反應器。氣升式反應器是在鼓泡塔反應器的基礎上發展起來的，它是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應液循環流動，來實現液體的攪拌、混合和傳遞氧。即不用機械攪拌，完全依靠氣體的帶升使液體產生循環并發生湍動，從而達到氣液混合和傳遞的目的。優點：結構較簡單，不需攪拌，易于清洗，維修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高。目前內循環氣升式發酵罐已廣泛應用于生物工程領域的好氧發酵方面，如動植物細胞的培養、單細胞蛋白的培養、某些微生物細胞的培養及污水處理等。氣升式生物反應器主要采用內循環內循環式生物反應器內部有四個組成部分：（1）升液壓在反應器中央，導流管內部。若空氣是在導流管底部噴射，由于管內外流體靜壓差，使氣液混合流體沿管內上升，在反應器上部分離部分氣體后，又沿降壓管下降，構成一循環流動。若空氣在降液管底部噴射，則流體循環方向恰好相反。（2）降液區導流管與反應器壁之間的環隙，流體沿降液區上升或下降，視噴射空氣的位置而定。（3）底部升液區與降液區下部相連區，對反應器特性影響不大。（4）頂部升液區與降液區上部相連區。可在頂端裝置氣液分離器，除去排出氣體三、鼓泡塔生物反應器是氣液兩相反應器，是指氣體鼓泡通過含有反應物或催化劑的液層以實現氣液相反應過程的反應器。該反應器以氣體為分散相、液體為連續相、涉及氣液界面。通常液相中包含有固體懸浮顆粒，如固體培養基、微生物菌體等。反應器內流體的運動狀況是隨分散相氣速的大小而改變的，一般分為兩種：一種是均勻鼓泡流，此時氣速較低，氣泡大小均勻，浮升較有規則；當隨著氣速的增加，小氣泡被大氣泡兼并，同時也造成了液體的循環流動鼓泡反應器結構筒單，易于操作，操作成本低，混合和傳質傳熱性能較好，因此廣泛應用于生物工程行業中，例如乙醇發酵、單細胞蛋白發酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。鼓泡反應器內無傳動部件，容易密封，對保持無菌條件有利。4、膜生物反應器是國際上20世紀末發展起來的高新技術，它將膜分離技術和生物技術有機地結合在一起優點：①增大反應速率。在生物學中有許多反應是產物抑制型，即隨著反應的進行，產物濃度提高，反應速率下降。采用膜生物反應器可在反應過程中移去產物，使產物濃度保持恒定，反應速率因此會提高。②提高反應轉化率。膜生物反應器通常在常溫和常壓下進行生化反應，可使產物或副產物從反應區連續地分離出來，打破反應的平衡，從而可大大地提高反應轉化率，增加產率或處理能力，過程能耗低、效率高。③簡化生產步驟。膜生物反應器使反應和分離在同一個步驟里完成，簡化了生產步驟，減少勞動量，提高了勞動效率。④截留生物催化劑，使細胞或酶在高濃度下進行。⑤減少了能耗，節約了成本。膜生物反應器的類型：膜生物反應器的分類膜生物反應器從整體構造上來看，是由膜組件及生物反應器兩部分組成，根據這兩部分操作單元自身的多樣性，膜生物反應器也必然有多種類型①按膜組件部分從構型上可分：管式、板框式、卷式及中空纖維式。

②按膜材料可分為有機膜和無機膜兩大類；

③按膜過濾的壓力驅動方式可分為加壓型和吸引型兩大類。④按生物反應器部分可分好氧、厭氧兩大類。

⑤按反應器內生物催化劑的狀態，可分為游離態和固定化膜反應器。⑥按底物和產物通過膜的傳質推動力，可分為壓差推動和濃差推動的膜反應器。⑦按膜反應器的結構型式，可分為平板膜、螺旋卷繞膜、管狀膜及中空纖維膜等膜反應器

⑧按組合方式又可分為分置式和一體式。

⑨按反應器內流體與生物催化劑的接觸形式，可將膜反應器分為直接接觸式、擴散式和多相膜三類。

⑩按膜組件在膜生物反應器中所起作用的不同，大致可將膜生物反應器分為分離膜生物反應器、無泡曝氣膜生物反應器和萃取膜生物反應器三種中空纖維超濾膜斷面的掃描電子顯微鏡照片內壓式外壓式螺旋卷式膜組件1-密封圈(原溶液)；2-滲透物收集管；3、4-濃縮物；5、9-進料-分隔板；6、8-膜；7-滲透物-分隔板；10-膜的粘合；11-外殼；12-滲透槽螺旋卷式膜組件是將做好的平板膜密封成膜袋，在兩膜袋間襯以網狀間隔材料并緊密地卷繞在多孔中心管上制成。中空纖維式膜組件

將幾十萬根或更多的中空纖維束的一端封死，另一端固定在管板上，再裝入圓筒型耐壓容器內制成。特點是自承式。DuPont公司的B-5組件

超濾毛細膜組件結構膜生物反應器Membrane

Bio-Reaction（MBR）是把膜分離技術與污水處理中生化反應結合起來的一門新興技術，也稱膜分離活性污泥法。膜生物反應器（MBR）用膜對生化反應池內的含泥污水進行過濾，實現污水分離，一方面，膜戴留了反應池中的微生物，使池中的污泥濃度大大增加，使降解污水的生化反應進行得更迅速徹底，另一方面，由於膜的高過濾精度，出水清撤透明，得到高質量的產水。工業污水處理工程膜生物反應器生物法廢水處理工藝流程厭氧反應器